数据中心网络的体系结构及发展

刘宝平

(黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002)



数据中心网络的体系结构及发展

刘宝平

(黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002)

随着信息技术的不断进步，数据中心网络的规模也逐步扩大，网络架构的设计一直是相关研究中的热点问题。介绍了数据中心网络拓扑设计，论述了几种新型数据中心网络结构的特点和性能，并展望了数据中心网络的发展趋势。

数据中心网络；虚拟化；软件定义网络

数据中心网络(data center network,简称DCN)是指数据中心内部通过高速链路和交换机连接大量服务器的网络[1]。云计算技术的思想是将大量计算与数据存储资源集中在云，也就是集中在数据中心里面，终端用户根据需要像使用电力一样从云中获取各种计算、存储和软件服务资源。云计算技术对数据中心网络提出了新的挑战，比如网络规模、虚拟机迁移、多租户服务等。因此，随着数据密集型计算技术的飞速发展，作为底层基础设施，数据中心网络在各行各业发挥着越来越重要的作用，快速变化的商业需求和网络领域的最新技术都在催生数据中心的改变，数据中心网络技术的研究已经得到了广泛关注和重视。

1　数据中心网络拓扑结构

为了解决网络稳定性、扩展性以及上层带宽瓶颈等问题，新型数据中心网络架构不断被研究者提出，以提供更好的优化结构和通信服务。数据中心网络的拓扑架构研究是指针对数据中心网络的特定需求，进行网络拓扑结构、服务器节点编址以及互联规则设定等相关方向的研究。根据目前的研究发展现状来看，适用于数据中心网络的网络结构大体上可被分为三种类型：以交换机为中心的网络，以服务器为中心的网络和不规则的网络。网络结构的部署所提供的网络带宽和容错水平直接影响着数据中心网络的性能。

1.1树形结构

如今大多数的数据中心是基于以交换机为中心的网络结构构建的。虽然在扩展性和灵活性方面有所欠缺，但由于和传统网络结构相似，因此大多数的网络组件和网络协议直接或稍作修改后便可应用在这类网络结构中，这也使得它更容易对传统交换机进行更新，以支持网络的构建工作。网络中的所有链路均使用以太网协议，为了合理控制分组泛洪等负载问题，服务器一般被划分为不同的域结构进行管理，将不同的业务或逻辑服务器进行分组以达到彼此隔离的目的。

1.2fat-tree网络结构

fat-tree网络结构是一种以交换机为中心的典型网络。fat-tree结构是使用廉价交换机构建的网络结构，这种结构采用大量廉价交换机与复杂连线取代昂贵的高层交换机，实现了大规模数据中心网络的设备互联。这些廉价交换机具有等同的交换能力和端口数量，不使用上行端口，而是完全使用下行端口。与传统树形结构的区别在于，位于汇聚层和边缘层这两层的交换机被分为々个域，域中的两层交换机设备之间可以实现全连接。核心交换机端口全部向下连接汇聚交换机；汇聚交换机端口一半向上连接核心交换机，一半向下连接边缘交换机；边缘交换机一半端口向上连接核心交换机，一半端口向下连接服务器。使用端口交换机的网络足以容纳多达台服务器。

1.3DCell网络结构

DCell网络结构是由微软亚洲研究院提出的以服务器为中心、递归定义形成的网络类型。使用层次化全连接的方式生成小型交换机间的互联结构。这种分层连接、高度稱合的立体网状结构设计，减少了数据延迟，提高了容错性和网络带宽。DCell0是最小的结构单元，它由一台为专门设计的特殊交换机和几台计算机组成。这个单元作为一个节点，充当下一层结构的基本单元，这就保证了每一层的连接都是一个完整图。是基于递归思想使用多端口的网络服务器和小型交换机构建的网络拓扑结构。的优点是递归定义、去中心化、完全互联等，可以较好地支撑路由容错，并提供比树形结构和结构更好的聚合带宽。

1.4BCube网络结构

为了解决的流量拥堵状况，微软亚洲研究院提出了DCell网络结构，新型的BCubel结构改进使在网络顶层可以提供更多的带宽。在中，每一层的多端口服务器由多个交换机连接。与树形结构、胖树结构和不同的是，网络的拓扑结构是模块化的数据中心网络。

2　现代数据中心网络结构特征

数据中心网络作为互联网和云计算的基础支撑平台，承载着各类核心关键业务，对数据中心网络的功能和性能提出了全新的要求。与一般的网络不同，数据中心网络在结构上也有其特殊的要求。传统的数据中心网络典型地采用二层或三层树形结构，在三层网络结构中，自上而下分别为核心层、汇聚层、边缘层。

近年来，随着信息技术的高速发展，因特网、电信网、物联网等各类网络相互交叉融合，信息量呈海量式增长，对数据的存储、传输、处理等提出了极高的要求，数据中心规模急剧扩大，传统的数据中心网络结构成为限制数据中心发展的瓶颈，为此，研究人员提出了多种新的数据中心网络结构，与传统的树形网络相比，这些网络具有鲜明的结构特点。

2.1特点1：基于商业交换机构建

传统数据中心网络采用树形结构，网络的通信带宽将受限于根节点的带宽，如假设采用典型的三层树形结构，且所有层都使用普通48端口GIgE交换机，则核心层可用带宽仅为所有服务器出口带宽的约4‰。随着交换机端口数以及网络层数的增加，这种限制将更加突出。为了提高系统性能，需要采用高端昂贵的交换设备构建。虽然随着技术的发展，交换机的性能将不断提高，但是树形结构的这种结构性的问题将一直存在。一个现代数据中心通常可达上万乃至上百万台服务器的规模，使用高端专用设备将带来巨大的开销。为了降低成本，现代数据中心通常采用普通商业交换机构建，如Google数据中心、微软数据中心及Fat-tree,Portland,DCell,BCube等。基于商业交换机构建是现代数据中心结构设计的出发点，也是导致现代数据中心网络其他特性的重要因素。

2.2特点2：节点之间多路径连接

使用商业交换机使得单条路径的传输能力受限，需要在服务节点之间增加多条路径以满足服务器间高速数据传输的需求。Fat-tree,Portland均采用Clos构架的一种特殊形式(fat-tree)作为物理网络的连接形式，提供服务器间的多路径访问，VL2在使用Clos构架的同时在核心层使用高端10GigE交换机以支持多路径并提供更高的带宽。Clos架构是贝尔实验室设计的一种多级交换结构，最早应用在电话网络中。Clos支持多级交换，并通过每个交换单元都连接到下一级的所有交换单元上，在不同交换单元之间建立多条交换链路。与此不同，DCell,BCube则通过在服务器上增加网卡，使服务器也承担部分路由和转发功能，并通过层次式的递归连接模式，构建服务器之间的多条通路。两者相比，前者在网络的连接方式上更加接近于传统树形结构，连接相对简单，更加直观和易于构建，但由于交换机承担全部路由和转发功能，仍需使用较高端的交换机，成本相对较高，而后者由于服务器承担了部分转发功能，只需小端口的交换机即可组建大规模的网络，成本相对更低，但服务器的转发能力相对更弱，同时，数据转发功能也可能降低服务器性能。

2.3特点3：从机架式向集装箱式转变

传统的数据中心基于机架构建，需要复杂的手工连线并占用大量的基础设施(如机房、空调冷却系统)，开发部署周期长，且一经部署就难以移动，数据中心网络和基础设施紧密耦合。集装箱式数据中心又称模块化数据中心，它将服务器、网络和空调系统封装在标准尺寸的集装箱内，一个集装箱式数据中心可包含几百或上千台服务器。与传统机架式数据中心相比，集装箱式数据中心具有开发周期短、能耗密度高、占地面积小、便于移动部署等特征。

3　发展趋势与展望

随着云计算和大数据应用的飞速发展以及网络在数据中心中的核心地位，数据中心网络已经成为了近年来引人瞩目的研究热点。国际学术界、国际标准组织、网络设备厂商、云计算提供商等都对数据中心网络研究给予了非常大的关注。由于数据中心网络领域的研究与工业界结合紧密，技术创新易于部署，可以预计在未来数年内数据中心网络的研究还将持续成为焦点。学术界关于数据中心网络的研究将成为云计算发展的有力助推器，并推动计算机网络体系架构和协议本身的创新。当前国内关于数据中心网络的研究基本与国际学术界保持同步，在部分技术方向甚至处于领先地位。因此，加强数据中心网络的研究，对于推动我国云计算和下一代互联网产业发展，并在国际新一轮IT技术革新浪潮中取得话语权，有非常重要的影响。

[1]陈康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状[J].软件学报，2009，20(5)：1337-1348

刘宝平，男，黄冈职业技术学院，硕士，副教授，主要研究方向：网络安全和电脑维护。

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